Экономическая эффективность безотходных производств

 

При проектировании химического производства практический интерес представляет сравнение безотходной технологической схемы с традиционной схемой получения данного продукта. Для проведения такого анализа составляются эталонные проекты, предназначенные для выработки и планирования технической политики в области создания безотходной технологии. Понятие "эталонный проект" подразумевает такую совокупность технологических стадий в цикле "ресурсы - производство - потребление - ресурсы", при которой обеспечивается замкнутое движение материальных и энергетических потоков.

В качестве показателей выбирают критерии, имеющие экономическую значимость: общее или удельное количество отходов; взаимодействие соединений, входящих в состав отходов, с элементами биосферы; распространение и трансформирование отходов и т. д.

Эталонный проект создается не для отдельных предприятий и отраслей, а для наиболее важных видов продукции: минеральных удобрений, кальцинированной соды, пластмасс, мономеров и т. д. В этом состоит его особенность по сравнению с обычным проектированием.

При составлении эталонного проекта используют наиболее совершенные технологические схемы получения той или иной, продукции. Переработка отходов, как вновь образующихся, так и накопленных, должна осуществляться также с помощью наиболее совершенных технологических процессов, не дающих вторичных локальных циклов, усложняющих структуру общего цикла "ресурсы - производство - потребление - ресурсы".

При экономической оценке цикла имеет значение определение стоимости отходов, так как от этого зависит стоимость продукции, получаемой при их переработке.

 

Таблица 4.2. Эффективность капитальных вложений в безотходное производство
Показатели	Варианты
Коэффициент использования сырья К и Затраты на получение товарной продукции, усл. ед./год: текущие (С) капитальные (К) Выход годовой продукции Т, % Выброс токсичных веществ в окружающую среду В, % Ущерб от загрязнения окружающей среды отходами производства У*, усл. ед./год Эффект потребления дополнительно полученной товарной продукции Эффект сокращения затрат на добычу сырья Коэффициент эффективности капитальных вложений, рассчитанный: по реализации производства Экп по народнохозяйственной эффективности Энх * В руб/руб товарного продукта	0,80   0,80 0,75   0,15   -   -     0,27 0,066	0,85   0,82 0,90   0,09   0,05   0,01     0,21 0,105	0,90   0,84 1,10   0,06   0,07   0,02     0,16 0,109	0,95   0,87 1,30   0,03   0,08   0,03     0,10 0,104

 

При оценке экономической эффективности безотходных производств используют сложный критерий, каждый составной элемент которого характеризует определенную сторону воздействия производства на народное хозяйство в целом.

Абсолютная экономическая эффективность h безотходного производства определяется по уравнению

,

где - сумма всех эффектов безотходного производства (Э₁ - эффект производства конечной продукции, полученной при внедрении безотходного производства, а также более полного использования исходного сырья; Э₂ - эффект потребления конечной продукции, полученной при внедрении безотходного сырья; Э₃ - экономия затрат на разведку, добычу и транспортирование отдельных ресурсов; Э₄ - эффект комплексного развития региона; Э₅ - внешнеторговый эффект, учитываемый при сокращении импорта или росте экспорта сырья, продуктов его переработки, конечного продукта); У - размер ущерба от загрязнения окружающей среды отходами производства и потребления; 3_п - полные затраты на безотходное производство.

При наличии нескольких вариантов безотходного производства должен быть выработан вариант с максимальным коэффициентом абсолютной экономической эффективности при равных затратах.

Рассмотрим эффективность капитальных вложений в безотходное производство одного из химических продуктов (табл. 4.2). Расход исходного сырья во всех вариантах принят одинаковым.

Из сравнения показателей видно, что коэффициент использования сырья и исходных продуктов возрастает от 0,80 в первом варианте до 0,95 в четвертом. В качестве коэффициента использования здесь принято отношение массы готового продукта к массе сырья и исходных продуктов. Текущие затраты на получение продукции возрастают незначительно, однако капитальные затраты увеличиваются на 75%.

Внедрение малоотходного производства увеличивает выход готовой продукции во втором варианте на 5%, в четвертом - на 17%. Выброс токсичных веществ значительно сокращается, соответственно снижается и экономический ущерб от выбросов в окружающую среду. Дополнительная продукция, произведенная в результате более полного использования исходного сырья, создает эффекты от ее потребления и сокращения затрат на добычу сырья.

Эффективность капитальных вложений в безотходные производства Э определялась по уравнению

Э = (Ц - С)/К,

где Ц - цена продукции; С - себестоимость продукции (текущие затраты); К - капитальные затраты по одному из вариантов.

Из сравнения вариантов видно, что по мере повышения степени извлечения ценных компонентов из исходного сырья, уменьшения выбросов в окружающую среду, снижения ущерба абсолютная экономическая эффективность рассматриваемых производств с позиций отрасли, предприятия снижается. Согласно существующей методике расчета, из рассматриваемых вариантов для отрасли наилучшим будет первый, так как у него наивысший коэффициент эффективности Э_кп = 0,27. С позиций народного хозяйства наиболее предпочтителен третий вариант (Э_нх = 0,109).

Водооборотные циклы химических производств. Системы производственного водоснабжения делят на прямоточные, в которых подаваемая от первичного источника вода после одно­кратного использования отводится за пределы предприятия, и оборотные, в которых отработанная вода подвергается ох­лаждению, очистке и возвращается для последующего использова­ния в этом же производстве, т. е. замыкается в цикле (обороте).

Существенный недостаток прямоточного водоснабжения -необходимость сброса отработанных вод в водоемы. Эти си­стемы используются только на старых предприятиях.

В оборотном водоснабжении вода от первичного источника подается только для восполнения безвозвратных потерь в цикле (в результате испарения, при очистке). Эта система позволяет целесообразно решать задачи очистки и обработки воды, улуч­шать ее качество и таким образом обеспечивает оптимальные условия для эффективной работы оборудования.

 

Рис. 4.6. Схема установки для обессоливания воды с применением ионообмена (отдельно показан катионитовый фильтр): 1 - катионитовый фильтр; 2 - анионитовый фильтр; 3 - дегазатор; 4 - сборник воды; 5 - песок; 6 - катионит

 

Схема производственного оборотного водоснабжения пред­приятия включает в себя комплекс сооружений, обеспечи­вающих прием воды из водоема (водозабор), подачу ее потреби­телям в необходимом количестве под требуемым давлением (на­сосная и водопровод), очистку, обработку и охлаждение (очист­ные сооружения). Системы оборотного водоснабжения подраз­деляются на замкнутые, полузамкнутые и комбинированные.

В замкнутой системе (рис. 4.7) охлаждение технологи­ческих потоков осуществляется оборотной водой в закрытых теплообменных аппаратах. Оборотная вода охлаждается возду­хом в закрытых оребренных радиаторах (радиаторной градирне).

 

Рис. 4.7. Замкнутая система оборотного водоснабжения: 1 – чистая вода; 2 – вода после первичного использования; НС - насосная станция; П – производство; К – камера приема добавочной воды или сброса воды; ВХ - воздушный холодильник; Q0 – количество отработанной (сточной) воды; Q п - количество воды, пода­ваемой на производство; Q пп - количество воды, потерянной в производстве

 

В полузамкнутой системе (рис. 4.8) технологические потоки охлаждают также в закрытых теплообменниках, но обо­ротная вода охлаждается в градирне.

 

Рис. 4.8. Полузамкнутая система производственного водоснабжения: 1 – чистая вода; 2 – вода после первичного использования; О – охладитель воды; К – камера приема добавочной воды или сброса воды; П – производство; НС – насосная станция; Q п - количество воды, пода­ваемой на производство; Q пп - количество воды, потерянной в производстве; Q0 – количество отработанной (сточной) воды; q ун – потери воды на унос из охладителя; q исп - потери воды на испарение в охладителе (градирня, брызгальный бассейн); q сбр – количество воды, сбрасываемой из системы для освежения (продувка); Q доб - количество воды, добавляемой в систему; Q в – введение регента для обработки воды

 

В некоторых производствах по условиям технологического процесса требуется обессоленная или умягченная вода. В этом случае применяют комбинированную систему (рис. 4.9), в которой обессоленная или умягченная вода охлаждается оборотной водой в закрытых теплообменниках, а оборотная вода - в градирне.

Снижение температуры оборотной воды в градирне происхо­дит за счет ее контакта с воздухом, перемещаемым вентилято­ром. Теоретически возможный предел охлаждения воды в градирне - температура мокрого термометра (t _м), которая зависит от температуры окружающего воздуха и его относительной влажности. Существуют диаграммы для определения значения t _м. Например, при температуре окружающего воздуха 30 °С и его относительной влажности 60% предельная температура охлаж­дения воды t _ов = 24 °С. В современных вентиляторных градир­нях перепад температур нагретой t _н и охлажденной воды дости­гает Dt = t _н - t _ов = 6¸7 °С.

 

Рис. 4.9. Комбинированная система производственного водоснабжения: I - контур захоложенной воды с температурой 4-15°С; II – контур оборотного водоснабжения; АХ - цех аммиачных холодильников; О – охладитель оборотной воды контура II; П - производство; НС - насосная станция; К – камера приема добавочной воды или сброса воды; Q 0 - количество отработанной сточной воды; Q об – количество оборотной производственной воды; Q ах - количество оборотной воды, подаваемой в цех аммиачных холодильников; Q п - количество воды, подаваемой на производство; Q доб – количество воды, добавляемой в систему; q исп - потери воды на испарение в охладителе (градирня, брызгальный бассейн); q ун – потери воды на унос из охладителя

 

В системе оборотного водоснабжения вода теряется на испа­рение в градирне (в количестве V ₁), капельный унос с охлаж­дающим воздухом (V ₂) и сброс при продувке (V ₃). Потери вос­полняются добавочной подпиточной водой в количестве

V _дв = V ₁ + V ₂ + V ₃.

Потери воды на испарение ориентировочно можно опреде­лить по формуле

,

где - коэффициент, зависящий от температуры воздуха; - разность темпе­ратур нагретой и охлажденной воды, град; - расход оборотной воды, м³/ч.

Коэффициент имеет следующие значения для градирен:

Температура воздуха, °С		1,0
Коэффициент	0,0010	0,0012	0,0014	0,0015	0,0016

Потери воды вследствие брызгоуноса

,

где - коэффициент, равный для вентиляторных градирен с водоуловителями 0,002-0,005.

Расход воды на продувку системы V ₃ зависит от производи­тельности системы оборотного водоснабжения, карбонатной жесткости добавочной воды, способа обработки воды и состав­ляет 1-3% от расхода оборотной воды.

Эффективность системы оборотного водоснабжения опреде­ляют двумя показателями:

коэффициентом использования оборотной воды

;

коэффициентом использования добавочной (свежей) воды

,

где - количество оборотной воды, м³/ч; - количество добавочной воды, м³/ч; - количество сточных вод (продувка), сбрасываемых в водоем, м³/ч; - общее количество расходуемой воды, м³/ч.

На предприятиях химической промышленности в целом ко­эффициент использования оборотной воды достигает значения , на передовых нефтеперерабатывающих и нефтехи­мических производствах .

Исходя из существующего уровня технологии, можно оценить максимально возможный коэффициент использования оборот­ной воды. В химической промышленности, где около 25% ис­пользуемой воды расходуется в качестве растворителя и экстрагента, он соответствует значению 0,90-0,92.

В химической промышленности даже при повторном исполь­зовании воды расход свежей воды велик и составляет в среднем на 1 т продукции 50-130 м³, а в целлюлозно-бумажной про­мышленности - 150-500 м³. Поэтому одной из главных задач химической технологии является дальнейшее снижение водоемкости производств путем внедрения систем оборотного и после­дующего использования воды, переход на водосберегающие (бессточные) технологии.

Бессточные химические производства. К бессточным относятся производства, в которых функционируют замкнутые системы водоснабжения без сброса сточных вод в водоемы, с коэффици­ентом использования свежей воды, равным единице.

При создании замкнутых систем водоснабжения на химических предприятиях необходимо использовать следующие основные положения:

1) водоснабжение и канализация предприятия должны рассматриваться как единая подсистема, включающая водоснабжение, водоотведение и очистку сточных вод, обеспечивающую их повторное использование;

2) в системе водоснабжения основным источником воды должны быть очищенные сточные воды, а свежая вода из водоочистников должна использоваться только для особых целей и восполнения потерь в локальных системах;

3) очистка сточных вод должна сводиться к регенерации отработанных технологических растворов и воды в локальных системах технологического водоснабжения с целью их повторного использования в производстве;

4) должны использоваться такие методы регенерации технологических растворов и воды, которые обеспечивают одновременное извлечение ценных компонентов и доведение образующихся отходов до товарного продукта или до вторичного сырья при минимальных материальных и энергетических затратах.

При внутритехнологическом цикле вода вступает в непосредственный контакт с перерабатываемыми продуктами. Очистка циркулирующей воды осуществляется в локальных очистительных сооружениях, которые являются продолжением технологических установок. На локальных установках очищаются сточные воды, которые без очистки не могут быть направлены в системы повторного или оборотного водоснабжения или на общезаводские очистные сооружения. На этих установках, как правило, из сточных вод извлекаются ценные примеси с использованием регенерационных методов очистки: отстаивания, флотации, экстракции, ректификации, дистилляции, адсорбции, ионного обмена, обратного осмоса и др. В ряде случаев на локальных установках осуществляется термическое обезвреживание сточных вод.

Система внутритехнологического водооборота требует дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат. Однако эти затраты окупаются за счет снижения общих расходов на водоподготовку и извлечения ценных компонентов.

На рис. 4.10 показана схема внутритехнологического водооборота в процессе промывки от катализаторной пыли и охлаждения контактного газа на установке дигидрирования изопентана. Подобные схемы организации цикла воды характерны для производств, где используются скрубберные установки очистки газов.

 

Рис. 4.10. Схема внутритехнологического водооборота: 1 - скруббер очистки газа; 2 - циркуляционный насос

 

Принцип максимального использования оборотного водоснабжения при оптимальном применении воздушного охлаждения положен в основу схем бессточных нефтеперерабатывающих заводов (рис. 4.11). На этих заводах очистка нефтепродуктов от сернистых соединений осуществляется регенерируемыми реагентами. Сернисто-щелочные сточные воды после обезвреживания на установке карбонизации подаются совместно со стоками ЭЛОУ (электрообессоливающая установка) на термическое обессоливание. Полученный при обессоливании водный конденсат направляется в водооборотный цикл. Из остатка выпаривания выделяется гранулированный технический хлорид натрия (NaCl - 80%), который используется для регенерации Na-катионитовых фильтров.

Постоянный солевой состав воды в системе технологического водооборота поддерживается за счет вывода части воды на установку термического обессоливания в системе очистки сточных вод и возврата очищенной воды в технологические установки. Внедрение бессточных схем на нефтеперерабатывающих заводах снижает удельные капиталовложения на 1 м³ сточных вод и стоимость строительства очистных сооружений в 1,5-2 раза (табл. 4.6) и предотвращает загрязнение водоемов.

Себестоимость очистки 1 м³ (см. табл. 4.6) стоков в бессточной схеме выше, чем в сточной схеме за счет эксплуатационных расходов на термическое обессоливание, термическую переработку нефтешламов и карбонизацию сернисто-щелочных сточных вод. Однако из-за меньшего расхода оборотной воды и отсутствия сброса сточных вод затраты на очистку воды в бессточной схеме незначительно отличаются от подобных затрат в сточной схеме.

Рис. 4.11. Схема использования воды на нефтеперерабатывающем заводе (цифры показывают расход в м3/ч)

 

Таблица 4.6. Технико-экономические показатели нефтеперерабатывающих заводов по содержанию очистных сооружений
Показатель	НПЗ без стоков	НПЗ со сбросом сточных вод
Расход воды на 1 т нефти, м3 Сброс сточных вод в водоем на 1 т нефти, м3 Расход оборотной воды на 1 т нефти, м3 Удельные капиталовложения, усл. ед. на 1 м3 сточных вод Стоимость строительства очистных сооружений, усл. ед. Себестоимость очистки 1 м3 сточных вод, усл. ед.	0,13 - 13,2 9,3 0,26	0,26 0,30 16,5 17,4 0,18

 

Примером бессточной технологии без загрязнения рек и водоемов может служить производство фосфора. Имеющиеся данные подтверждают, что очистка стоков заводов по производству фосфора малоэффективна и не обеспечивает защиту водоемов от загрязнения. В то же время установлено, что растворимые примеси сточных вод не оказывают отрицательного влияния на технологические процессы и на продукты производства. Отмеченные особенности и послужили основанием для бессточного производства, схема которого показана на рис. 4.12. По этой схеме добавка свежей воды из источника водоснабжения предусматривается только для подпитки оборотной системы охлаждения аппаратов, снабжения водой котельной и для бытовых нужд. Продувочный сброс оборотной системы охлаждения и сточные воды направляются для подпитки внутритехнологического цикла воды, пылегазоочистки и пылеуборки. Локальная очистка воды от аппаратов пылегазоочистки сводится к выделению взвесей и регенерации абсорбционных растворов. В отдельном цикле используются воды для мокрой пылеуборки.

Утилизация пластмасс и эластомеров. Технологические отходы пластических масс и эластомеров образуются в отраслях, занимающихся синтезом и переработкой этих продуктов. По статистическим данным, в производстве этих отходов образуется от 5 до 35%.

Длительное время захоронение в почву и сжигание были наиболее распространенными способами уничтожения отходов пластмасс и эластомеров. Тепло, выделяющееся при сжигании, использовалось для генерирования водяного пара. Однако при сжигании происходит образование сажи от неполного сгорания полимеров, выделение токсичных газов и, как следствие, повторное загрязнение воздушного бассейна.

К основным способам утилизации отходов пластических масс относятся: термическое разложение путем пиролиза; деполимеризация с получением исходных низкомолекулярных продуктов (мономеров, олигомеров); вторичная переработка.

Пиролиз полимеров осуществляется при температурах 800-1100 °С и позволяет получить высококалорийное топливо, сырье и полупродукты, используемые в различных технологических процессах, а также мономеры для синтеза полимеров. При пиролизе отходов полиэтилена (Т = 740 °С) образуются полезные продукты: этилен (25%), метан (16%), бензол (12%), пропилен (10%).

Установка термического пиролиза включает дробилку, шнековый питатель, печь пиролиза, скруббер для промывки пирогаза, холодильник, ректификационную колонну разделения углеводородов и камеру сжигания отходящих газов. В случае переработки поливинилхлорида предусматривается скруббер для поглощения НС1. Печь пиролиза отходов представляет собой обогреваемую вертикальную цилиндрическую камеру, в которой измельченные пластмассовые отходы перемещаются под действием силы тяжести вниз, а продукты пиролиза из верхней части печи направляются на переработку.

Разработаны процессы каталитического гидрокрекинга для превращения полимерных отходов в бензин и масла.

Процессу деполимеризации с получением мономеров подвергают только те виды пластмасс, которые распадаются при сравнительно низких температурах (300-450 °С). К таким полимерам относятся полистирол и его сополимеры, полиакрилаты. Пиролиз полистирола сопровождается получением 50-70% исходного стирола, при термическом разложении полиметилметакрилата выход газообразного метилметакрилата достигает 91-96%.

Наиболее эффективным способом утилизации отходов полимерных материалов является их вторичная (а в некоторых случаях многократная) переработка. Освоены процессы переработки вышедшей из употребления полиэтиленовой пленки в трубы для сельского хозяйства и изделия менее ответственного назначения, а также во вторичную пленку. Технологический процесс получения вторичной полимерной пленки заключается в подготовке исходного сырья (использованной пленки), гранулировании и смешении полученных гранул с первичным полиэтиленом с последующим получением пленки обычными методами.